新沂河?？诳刂乒こ膛派吃O施對泥沙淤積影響分析

柳 豹

（江蘇省淮沭新河管理處，江蘇淮安 223001）

泥沙淤積乃是水工建筑中常遇見的問題，有效降淤排沙對提升水工設施的高效運營、運營壽命等均具有重要意義［1-2］，但排沙設施排沙效果影響特性研究還較少，只有對其影響因素展開變化規(guī)律分析，才可確保排沙設施具有最佳排沙清淤的效應。楊晨等［3］、范海東［4］、呂科等［5］根據(jù)水工建筑滲流場求解問題，利用Fluent等研究平臺，分析了不同設計方案下泄流建筑水沙演變特征，為工程建設提供仿真計算參考。另外也有一些學者從靜、動力學穩(wěn)定性角度考慮，利用ABAQUS、ANSYS等數(shù)值仿真平臺研究不同設計參數(shù)與方案下結(jié)構(gòu)應力、位移特征［6-8］，進而確定工程的最優(yōu)設計方案以及影響因素。以上研究方法均集中于數(shù)值計算，但不可忽視數(shù)值計算結(jié)果與工程實際具有一定差異性與適配性，針對性解決工程滲流以及穩(wěn)定性問題可以采用水工模型試驗手段，楊東玲［9］、施得兵等［10］、李鶴等［11］通過設計不同方案的溢洪道、消能池及水閘等水工模型，研究模型在不同方案下滲流特征，以此反映水沙演變規(guī)律，為工程排沙降淤提供參考。本文基于新沂河?？诳刂乒こ膛派吃O施的降淤清沙影響因素，設計開展水工模型試驗，研究不同因素對排沙渠道清淤降沙的影響，為工程排沙設計提供依據(jù)。

1 模型試驗分析

1.1 工程概況

新沂河?？诳刂乒こ棠耸菂^(qū)域內(nèi)重要水利樞紐，其運營穩(wěn)定性關(guān)乎沂沭泗流域安全泄洪，確保下游水利安全性。該工程設計之初，就承擔著防洪、排澇、防潮等重要水利功能，樞紐工程包括有深泓閘，并在南、中、北3個區(qū)域設置橡膠壩，有效防護岸坡受水力沖刷影響。新沂河?？诳刂乒こ趟杞ㄔO的泓道設計流量為7 800 m3/s，南、北深泓閘設計流量分別為2 425 m3/s、3 348 m3/s，該工程整體均按照50年一遇洪水標準設計，且為應對入?？谔幠嗌秤俜e影響，已對中淺灘橡膠壩進行拆除，故而南、北淺灘橡膠壩設計最大流量為1 330 m3/s、1 830 m3/s。該水利控制工程設計修建的深泓閘總寬度為134.1 m，閘室底高程為-21.5 m，采用多孔式過閘流量設計，單孔凈寬為10 m，另深泓閘亦是地區(qū)內(nèi)重要交通樞紐，在閘墩兩側(cè)分別修建有檢修橋與交通橋，2個橋凈寬分別為2.2 m、4 m，橋面高程均為6 m。閘墩支撐結(jié)構(gòu)體系已在多次結(jié)構(gòu)加固中升級，目前采用的是預應力錨索支護結(jié)構(gòu)，傳感器監(jiān)測表明最大拉應力不超過1.5 MPa，墩身內(nèi)無顯著滲流活動，受水力沖刷作用影響較小，最大滲透坡降低于0.2。兩座深泓閘設計形式具有一致性，均采用平面定滑閘門，配備有液壓程序控制啟閉機，最大開度可與深泓閘設計流量的110%相匹配。在深泓閘兩側(cè)設立有1個沉井式岸墻和6個空箱岸墻，沉井岸墻長為20 m，空箱岸墻長均為10 m，導墻采用預制鋼混結(jié)構(gòu)，壁厚為0.3 m，上、下游均設置有排沙渠道，降低泥沙淤積導致深泓閘出現(xiàn)過流不暢、渦流及阻流效應。閘室底部設置有鋼混形式的護坦結(jié)構(gòu)，長為30 m，厚度為60 cm，在下游與導墻的漿砌石防滲墻結(jié)構(gòu)相連，控制閘室底部受泥沙淤積、污染物影響。根據(jù)對新沂河?？诳刂乒こ痰恼{(diào)研分析得知，目前深泓閘與橡膠壩工程受泥沙淤積影響較嚴重，排沙閘等水工設施運營效率降低顯著，不論是入?？谙掠位蚴情l前上游，泥沙含量最大可達6.5 kg/m3，不利于上游沂沭泗洪水東調(diào)南下控制水流。為此，考慮在深泓閘前設置一個排沙渠道，且其渠首采用彎道截面，下游排沙閘亦與之相連，控制進入深泓閘、橡膠壩等水工建筑的泥沙含量，保障入?？谒购檎{(diào)度。

1.2 模型試驗

本模型重點研究排沙渠道設計對水沙特征影響，故特別以排沙效果來論證該排沙渠道的設計合理性，在室內(nèi)按照實際工程布設排沙渠道狀態(tài)設計水工模型。該模型按照復制比尺1∶10設計［12-13］，而結(jié)構(gòu)材料按照實際取材，水流以自然水流為研究對象，模型上游安裝有三角堰流量測試儀，準確控制上游來水流量，其布設高度為26 cm，按照流量比尺1∶10確定本模型工況流量參數(shù)值。泥沙狀態(tài)按照新沂河實際顆粒物質(zhì)進行混合，選擇粒徑在0.05～0.3 mm的礦物質(zhì)顆粒為泥沙對象，上游來水流量的輸沙率根據(jù)實際在南、北深泓閘上游測定值確定，范圍為6.5～8.5 kg/m3。而為高效獲得模型實驗中上、下游泥沙含量，本試驗中采用電容泥沙含量測定儀在上、下游均勻布設有10個傳感器，研究各斷面上水流含沙量變化。另一方面，流速乃是反映水沙演變狀態(tài)的重要參數(shù)，本試驗中配備有PIV流速測定儀，可同時對多個斷面展開多通道測定，最終基于流速參數(shù)獲得不同工況及不同設計參數(shù)下泥沙淤積影響。

為準確分析各因素對入?？诳刂乒こ棠嗌秤俜e影響，本文設定有水流因素與排沙設施設計因素，其中水流因素包括有上游流量、泥沙粒徑；而排沙設施設計因素包括有水位及排沙板高度。按照控制工程實際運營工況，本文設定上游流量有3 L/s、4.5 L/s、6 L/s、7.5 L/s、9 L/s，泥沙粒徑按照中位數(shù)給定分別為0.05、0.1、0.15、0.2、0.25 mm；水位按照模型試驗中渠道水位限定在2/3以內(nèi)，設定有7、9、11、13、15 cm，排沙板設計為可伸縮性材質(zhì)，按照復制比尺最大不超過15 cm，故對比方案設定其高度為6、8、10、12、14 cm，各對比組試驗中僅改變單一因素探討泥沙淤積影響。

2 流量與泥沙粒徑對泥沙淤積影響分析

2.1 流量的影響

為分析不同因素對泥沙淤積影響，本文以深泓閘下游、排沙出口端含沙量特征作為評價參數(shù)，分析在不同因素設計方案下含沙量變化。圖1為不同流量參數(shù)下深泓閘下游、排沙設施出口端含沙量變化特征。

從圖1中可知，流量參數(shù)與含沙量具有負相關(guān)關(guān)系，即增大上游流量，閘前水流中清沙降淤效果顯著，深泓閘下游在上游流量為3 L/s時含沙量為5.03 kg/m3，而流量為6 L/s、9 L/s下該部位含沙量較前者分別減少了23.4%、26.2%，整體上看流量每增大1.5 L/s，深泓閘下游含沙量可降低6.2%。對比深泓閘下游，排沙出口端含沙量高于前者，其各方案中含沙量分布為4.21～6.2 kg/m3，而深泓閘下游含沙量較前者具有差幅11.6%～21.7%。排沙出口端含沙量隨上游流量也是遞減，特別的流量每增大1.5 L/s，其含沙量降低9.3%，相比深泓閘下游處，其含沙量受流量影響更具顯著。分析表明，高流量作用下，水流內(nèi)泥沙懸浮質(zhì)沉降較慢，無法有效淤積，因而其沖淤排沙效果顯著；另一方面，要從流量方面控制入?？谔幧钽l前泥沙淤積，因在排沙設施前增大流量，此時排沙清淤效果才更好［14］。

圖1 不同流量參數(shù)下含沙量變化特征

2.2 泥沙粒徑的影響

根據(jù)對不同泥沙粒徑研究方案中含沙量分析，可得到深泓閘與排沙設施末端處含沙量變化特征，如圖2所示。從圖中可看出，泥沙粒徑愈大，則在深泓閘下游、排沙設施末端處含沙量愈高，泥沙粒徑0.05 mm時排沙設施末端處含沙量為4.79 kg/m3，而粒徑0.15 mm、0.25 mm時含沙量較前者分別增大了37.2%、60.1%，當粒徑增大0.05 mm，則該排沙渠道設施末端處含沙量可增大12.6%。同理，在深泓閘下游處其含沙量也有一定增高，其含沙量隨粒徑增長0.05 mm，含沙量遞增6.7%。分析認為，泥沙粒徑愈大，則水流中泥沙受水力作用逐漸演變成懸浮質(zhì)沉降關(guān)系，導致水流中含沙量水平較高，這也是泥沙粒徑對河道中含沙量影響根源。因而，為控制入海口處含沙量，應控制上游水土流失比重，降低過大的泥沙顆粒進入水流中，導致河床水流受水力作用逐漸遷移演變。

圖2 不同泥沙粒徑下含沙量變化特征

3 水位與排沙設施參數(shù)對泥沙淤積影響分析

3.1 水位的影響

根據(jù)不同水位下泥沙淤積試驗分析，獲得深泓閘下游、排沙渠中部處流速變化特征，如圖3所示。從圖3可知，水位與流速具有正相關(guān)關(guān)系，當水位愈高，不論是深泓閘下游部位，亦或是排沙渠中部，其流速均為遞增，在水位7 cm時渠中部流速為3.33 cm/s，而水位9 cm、13 cm、15 cm時流速較前者分別增長了45%、105.5%、113.3%，整體上看水位增大2 cm，排沙渠中部流速平均可增長21.8%。深泓閘下游處流速水平均高于排沙渠中部，各方案間流速差幅為27.5%～47.6%，表明愈往下游，水流中淤積愈弱，水流暢通性更強，進而流速水平較高。從泥沙清淤效果來看，控制渠道水位狀態(tài)，可影響排沙渠降淤效果，當渠內(nèi)水位愈高，則降淤效果愈顯著。筆者認為，當水位愈高，則泥沙懸浮沉降速率愈慢，進而其阻流效應愈弱，進而流速水平較高［15-16］。

圖3 不同水位下流速變化特征

3.2 排沙板參數(shù)的影響

同理，可得排沙板高度參數(shù)影響下深泓閘下游、排沙設施末端處流速變化特征，如圖4所示。從圖中流速變化可知，排沙板高度越大，則流速水平愈高，高度6 cm工況中深泓閘下游流速為3.45 cm/s，而高度8 cm、14 cm時流速水平較前者分別具有差幅9.7%、48.3%，當控制排沙板高度愈大，則排沙渠道淤積高度愈大，反應在水流中含沙量愈低，進而泥沙摩擦、阻流效應較弱，故流速水平較高。在排沙渠道中部處，高度6 cm方案中流速為4.73 cm/s，而排沙板高度每增大2 cm，則深泓閘下游、排沙渠中部處平均增幅分別為14%、9.6%。比較深泓閘下游于排沙設施末端兩關(guān)鍵部位可知，各方案中流速差幅為27.1%～38.4%，且深泓閘下游流速受排沙板高度影響敏感度弱于排沙設施末端處。從工程設計角度考慮，排沙板結(jié)構(gòu)高度應在滿足結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性前提下，其值盡量較高，滿足水利設施排沙降淤要求。

圖4 不同排沙板高度下流速變化特征

4 結(jié)論

（1）流量參數(shù)與含沙量具有負相關(guān)關(guān)系，流量每增大1.5 L/s，深泓閘下游、排沙設施末端處含沙量可分別降低6.2%、9.3%；排沙渠道末端出水口處含沙量特征受流量參數(shù)影響敏感度更高，應控制入?？谔幜髁?，才可減少泥沙淤積的影響。

（2）泥沙粒徑愈大，則水工設施所測得含沙量愈高，粒徑增大0.05 mm，則排沙渠道設施末端處、深泓閘下游含沙量分別遞增12.6%、6.7%；控制泥沙粒徑有助于影響泥沙運動作用，改變其懸浮沉降關(guān)系。

（3）水位與流速具有正相關(guān)關(guān)系，但深泓閘下游處流速水平高于排沙渠中部，兩者差幅為27.5%～47.6%，控制排沙渠內(nèi)水位有助于降淤；排沙板設計高度越大，流速愈高，排沙板高度每增大2 cm，渠道中部處、閘下游處流速可分別增長14%、9.6%，且后者受設計高度影響敏感度高于前者。